Основы кибернетики - школа 54 Новосибирск

Системы
Определение системы
Система
это
совокупность
элементов, имеющих между собой
некоторые связи, взаимодействующих
друг c другом и влияющих друг на
друга.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Примеры систем:
организм животного,
завод,
животный мир,
стая волков,
Солнечная система,
учебный класс,
школа,
станок,
компьютер,
клетка организма...
Закрытые и открытые системы
Система называется закрытой, если
не имеет материальной, энергетической
или
информационной
связи
с
окружающим миром, или эти связи не
влияют на функционирование системы.
В
противном
случае
система
называется открытой.
Это деление достаточно условно.
Систему
можно
иногда
считать
открытой, а иногда - закрытой. К
примеру, рассматривая механизм работы
двигателя автомобиля, его можно считать
закрытой системой, так как его работа не
зависит от внешних тел. С другой
стороны,
интенсивность
работы
двигателя зависит от наличия топлива, от
действий водителя ...
Примеры закрытых систем:
• школа,
• звезда,
• пруд,
• нервная система организма,
• страна.
Примеры открытых систем:
• человек,
• компьютер,
• клетка организма,
• энергетическая система страны.
Подумайте,
чем
обмениваются
указанные открытые системы с внешним
миром?
Внутрисистемные связи
Связи между отдельными частями системы осуществляются посредством
передачи информации от одних частей системы к другим. При этом обязательно
есть материальный и/или энергетический носитель этой информации.
Прямая и обратная связь
Различают два потока информации в
системе: прямая и обратная связь.
Пусть в некоторой системе есть
несколько составных элементов, два из
которых обозначим буквами А и В.
Пусть
от
А
идет
некоторая
информация к В (прямая связь).
Состояние В при этом изменяется, и
информация
об
этом
изменении
поступает к А (обратная связь) и
приводит к изменению состояния А.
Пример: система человек-компьютер.
Человек занимается тренировкой навыка
работы на клавиатуре с помощью
клавиатурного тренажера. При этом в
компьютер поступает информация о
скорости и правильности нажатых
клавиш.
Проанализировав эту информацию,
компьютер увеличивает скорость подачи
и количество символов.
Информацию об этом изменении в
работе компьютера человек получает,
глядя на монитор, и увеличивает темп
своей работы, подстраиваясь под темп
работы компьютера.
Нарушение связей
А вот пример нарушений связей в
системе.
"В неврологическую клинику входит
больной. Он не парализован и, получив
приказание, может двигать ногами. Тем
не менее, он страдает тяжелым недугом.
Он идет странной походкой и все время
смотрит вниз, на землю и на ноги.
Каждый шаг он начинает с рывка,
выбрасывая сначала одну, потом вторую
ногу. Если ему завязать глаза, он не
сможет стоять, шатается и падает...
Больной страдает спинной сухоткой.
Часть
спинного
мозга,
обычно
воспринимающая
ощущения,
повреждена или разрушена поздними
осложнениями от сифилиса. Сигналы,
поступающие от рецепторов в суставах,
сухожилиях, мышцах и подошвах его ног,
притуплены или даже полностью
пропадают.
Центральная
нервная
система не получает сигналов о
положении частей тела и туловища в
целом, и человек должен полагаться
только на свои глаза.
Н.Винер, Кибернетика.
Положительная связь
Связи бывают положительными и
отрицательными.
В нашем примере с компьютером
связи положительные.
Действительно,
пусть
человек
увеличил скорость печатания, тогда
компьютер
увеличит
скорость
предъявления символов, что заставит
человека
еще
больше
увеличить
скорость... И так далее. В технике о
таких системах говорят, что они "пошли
вразнос". Такие системы, как правило, не
могут долго работать нормально и
разрушаются.
Таким образом, обратная связь
называется положительной, если
она вызывает усиление прямой
связи.
Другие примеры с положительной
связью:
• размножение кроликов, завезенных в
Австралию,
• горение костра,
• взрыв,
• коллапс (катастрофическое сжатие)
звезд,
• паника в толпе людей.
Отрицательная связь
Обратная
связь
называется
отрицательной, если она нейтрализует в
той или иной степени изменения,
происходящие в источнике прямой связи.
Примером
может
служить
взаимодействие хищников и их жертв.
Если численность зайцев возросла, то
вслед за этим вырастет и поголовье
волков, так как для них стало много
пищи. Но увеличение численности
волков
приведет
к
снижению
численности зайцев!
Попробуйте
сообразить,
какие
прямые и обратные связи есть в
перечисленных ниже системах?
Какие это связи: положительные или
отрицательные?
•
•
•
Школа
Организм человека
Скороварка
Кибернетика
Кибернетика занимается вопросами
возникновения и изменения прямых и
обратных связей в системах, а также
характером этих связей.
Под характером связей понимают
следующее. Если элемент системы А
влияет на элемент В, то математически
это воздействие описывается некоторой
функцией: y=f(x).
Задавая
некоторое
значение
x
(состояние элемента А), получаем вполне
определенное значение y (состояние
элемента В).
Известно, что функции (а значит и
связи) бывают разные: линейные
(обратная связь прямо пропорциональна
величине прямой связи) и нелинейные
(зависимость может быть квадратичной,
степенной,
экспоненциальной,
логарифмической и т.д.)
Пример нелинейной связи.
На судах ставят автоматическую
систему, поворачивающую судно на
заданный курс. Она включает в себя
компас и устройство управления рулями.
Первоначально система работала так,
что положение рулей было прямо
пропорционально
отклонению
от
заданного курса (то есть связь была
линейной).
Например,
если
отклонение
составляло 20 градусов, то рули
поворачивались на 10 градусов, если
отклонение было 8 градусов, то рули
поворачивались на 4 градуса.
Оказалось, что при такой обратной
связи корабль, поворачиваясь,
по
инерции "проскакивал" направление на
нужный
курс
и
продолжал
поворачиваться. Возникало "рыскание"
судна по курсу.
Более того, анализ показал, что такая
обратная связь вообще никогда не
поставит корабль точно по курсу!
Конец